Светомузыкальное устройство Советский патент 1990 года по МПК A63J17/00 

Изобретение относится к светомузыке, а именно к устройствам для автоматического сопровождения звука световыми эффектами.

Целью изобретения является повышение художественной выразительности светового сопровождения музыкального произведения.

На фиг.1 представлена блок-схема светомузыкального устройства; на фиг.2 - аналого-цифровой преобразователь АЦП ; на фиг о 3 - регистр накопления; на фиг. 4 - блок сравнения; на фиг. 5 - коммутатор; на фиг.6 - блок формирования адреса; на фиг,7 - ПЗУ; на фиг. 8 - временные диаграммы,, поясняющие работу АЦП; на фиг 9 - временные диаграммы, поясняющие работу блока формирования адресов.

Светомузыкальное устройство содержит источник 1 звука, оптическое устройство 2, содержащее экран 3, источники 4-1...4-шп света и трафареты 5, коммутатор 6, первый канал 7-1 обработки музыкального сигнала, который содержит автоматический регулятор 8-1 уровня, выход которого подключен к входу анализатора 9-1 музыкальных программ, каждый из m выходов которого подключен к входу соответствующего источника 4-1 „««4-го света, с второго по n-й каналы 7т2.о„7-п обработки музыкального сигнала, (n-l)-m источников 4-(ra+l)...4-(n-l)m света, причем вход каждого 1-го (где ,2,,.. ...(n-l)m) источника 4-i света подключен к соответствующему i-му выходу анализатора 9-i музыкальных проСП

о со о го

грамм, блок 10 выделения основного тона, первый вход которого соединен с выходом источника 1 звука., блок 11 формирования адреса, выходы которого подключены к группе входов коммутатора 6 и группе входов ПЗУ 12, последовательно соединенные блок 3 фильтров, К входов которого подключены к выходам источника 1 звука, блок 14 детекторов, АЦП 15, первый 16 и второй 17 регистры хранения, блок 18 Сравнения, выход которого соединен с первым входом коммутатора 6, второй вход которого подключен к выходу источника I звука, вход сброса соединен с входом запуска блока i1 формирования адресов, с тактовым входом второго регистра 17 хранения и с первым дополнительным выходом АЦП 15 второй дополнительный выход которого соединен с тактовым входом первого регистра 16 хранения, при этом каждый из п выходов коммутатора 6 соединен с входом соответствующего канала 7-1„..7-п обработки музыкального сигнала, причем выход блока 10 выделения основного тона подключен к управляющему входу блока 13 фильтров а выходы ПЗУ 12 соединены с второй группой входов блока 18 сравнения.

Кроме того, устройство также содержит автоматические регуляторы 8-2,,.,8-п уровня, анализаторы 9-2 „.. музыкальных программ, входящие соответственно в состав каналов 7-2,,.7-п обработки сигнала, фильтры 19-1...19-К, входящие в состав блока 13 филы ров, детекторы 20-loot20-K, входящие в состав блока 14 детекторов, фильтры 21-1... ,.,21-п.га, детекторы 22-1.„,22-n- m, усилители 23-1..,23-гып мощности, входящие в состав анализаторов 9-1«о .,69-п музыкальных программ0

Устройство работает следующим образом

С выхода источника 1 звука (фиг.1 сигнал поступает одновременно на вход блока LO выделения основного тона и на входы блока 13 фильтров, выделяющих гармоники. йильтры 19-1..I9настроены на частоты, кратные основному тону f0, т.е„ первый 19-1 на Ј0, второй 19-2 на 2 Ј0, третий 19-3 - на 3 f0 и т„До Сигнал с блока 10 выделения основного тона управляет работой этих фильтров 19-1„„« ,0.19-К, меняя их характеристики в з

0

5

0

5

0

5

0

45

50

55

висимости от изменения характеристик музыкального произведения Таким образом, устройство должно проанализировать музыкальное произведение и распознать звучащие музыкальные инструменты по тембру (а точнее, по тембровой формуле). Тембр физически характеризуется соотношением интенсив- ностей отдельных обертонов (гармоник) и основного тона0 В зависимости от их соотношения создается ощущение сочности, резкости, мягкости, прозрачности, гнусавости, матовости звука, т.е. все те качества, которые и определяются как тембровая окраска, позволяющая легко ра-зличать инструменты на слух (известно, что увеличение интенсивности основного тона делает тембр мягким, полным, а уменьшение - резким, жестким, острым), Усиление второй гармоники создает гнусавый и сиплый тембр, а третьей - мягкий звук. Большая интенсивность четвертой гармоники связана с пронзительностью, остротой, яркостью тембра Эти качества становятся еще заметнее при подчеркивании пятой и шестой гармоник. Соотношение интенсив- ностей отдельных гармоник и основного тона для каждо о инструмента характеризует его звучание и является его тембровой формулойе Сигналы с выходов блока 13 фильтров поступают на блок 14 детекторов, детекторы .20-К которого выделяют огибающую обертонов. Эти выделенные огибающие поступают на входы АЦП 15, осуществляющего их последовательное поочередное преобразование в цифровой двоичный эквивалент и пересылку этих данных в первый регистр 16 -хранения и вырабатывающего импульс запуска блока 11 формирования адресов„ Первый регистр 16 хранения осуществляет накопление данных с АЦП 15, т.е. в каждом такте принимает информацию (четыре разряда) об одном из обертонов и обеспечивает ее последовательное продвижение по ячейкам первого регистра 16, после чего осуществляет выдачу в параллельном виде информации во второй регистр 17 хранения Второй регистр 17 хранения осуществляет прием информации из первого регистра 16 хранения по сигналу перезаписи с АЦП 15 и выдачу ее на блок 18 сравнения. При этом в блоке 18 сравнения происходит процесс сравнения информации, посту.пившей с второго регистра 17 хранения, с эталонами тембров сравниваемы инструментов, заложенными в ПЗУ 12, которое срабатывает при поступлении пускового сигнала с первого дополнительного выхода АЦП 15 на вход блока М формирования адресов, начинающего при этом формировать на своих выходах кодовые комбинации номеров инструментов, которые и поступают на вход ПЗУ 12, а также на коммутатор 6 (после перебора всех комбинаций блок 11 формирования адресов останавливается до поступления нового сигнала с АЦП 15). А в первый регистр 16 хранения в это время поступает новая информация с АЦП 15, и цикл повторяется сначала,т.е. происходит конвейерный принцип обработки информации 0 При совпадении в блоке 18 сравнения обертонов (поступившей информации с второго регистра 17 хранения) с эталонными наборами тембровых формул вырабатывается импульс идентификации, поступающий на вход коммутатора 6а Последний коммутирует входной низкочастотный сигнал, поступающий на его второй вход с источника 1 звука, на входы автоматических регуляторов 8-1,.,8-п уровня соответствующего каскада, каналов 7-1,,.7-п обработки музыкального сигнала , конкретный номер которого совпадает с конкретным значением кодовой комбинации номера музыкального инструмента, т„во каждый канал 7-1.0.7-п предназначен для одного определенного музыкального инструмента. Перед началом нового цикла сравнения коммутатор 6 приводится в исходное состояние (сбрасывается) импульсом, поступающим на его вход сброса с первого дополнительного выхода АЦП 15. Сигнал с выходов автоматических регуляторов 8-1 оо8-п уровня поступает на входы фильтров 21-1,,,21-n-m каналов 7-1.. О.о7-п, каждый из которых имеет свою полосу пропускания и является входом соответствующего частотного канала, например, при, трехканальной схеме: первый канал - высокочастотный; второй - среднечастотный; третий - низкочастотный. В результате сигнал с выходов автоматических регуляторов 8-1.,.8-п уровня проходит на выходы - того из фильтров 21-1.. .21-n«m, полоса пропускания которого соответствует частотным характеристикам поступив0

5

0

5

шего сигнала. Далее сигнал детектируется детекторами 22-1.,.22-и-ш, усиливается усилителями 23-1.. ,. мощности и поступает на источники 4-1..4-п«и света, которые изменяют СРОЮ яркость свечения пропорционально величине амплитуды поступающего управляющего сигнала. Изменяющийся по яркости световой поток, проходя через формообразующие элементы формообразующего трафарета 5, приобретает очертания этих формообразующих элементов и проецируется на экран 3, так как пазмеры формообразующих элементов соответствуют каждому частотному каналу, а именно: формообразующие элементы высокочастотного канала выполнены мелким, четким рисунком, средне- частотного - крупнее, а низкочастотного - крупным размытым, то и проецируемое на экране 3 светоцветовое изображение имеет формы с рисунком, соответствующим размерам работающего тотного канала. При появлении в сигнале составляющих других частот начинают работать источники 4-1 „ оАтит света других каналов 7-1о..7-п и в светоцветовом изображении на экране 3 появляются формы соответствующих размеров, В каждый момент времени преобладающими по яркости формами в изображении на экране 3 являются формы того частотного канала, в котором амплитуда управляющего сигнала больше. При этом фильтры 21-1,.а2l-n m каналов 7-lJ357-n настроены по частоте на частотный диапазон звучания определенного инструмента и источники 4-( з, о-4-n-m света каждого каскада имеют один определенный цвет, присущий данному инструменту по общезначимым соответствиям цветного слуха, который включает все слухозрительные е ассоциации естественного происхождения, в физиологической основе которых лежит явление натурального условного рефлекса, А одним из наиболее распространенных и наиболее общезначимых соответствий цветного слуха является ассоциирование цветов и фактуры изображения с определенными тембрами музыкальных инструментов, на0

5

0

0

пример звук трубы чаще всего окрашивается красным цветом, флейты - голубым, скрипки - зеленым и т.д. В результате в создаваемом на экране 3 светоцветовом изображении в каждый момент времени преобладает цвет, при

7J

сущий солирующему инструменту в музыкальном произведении, и размеры форм соответствующие частотному диапазону звучания в -данный момент этого инструмента

. Таким образом, на экране 3 создается светоцветовая композиция, динамика и развитие которой полностью определяются соответствующими характеристиками сопровождающего музыкаль Htoro произведения, т.е. наблюдается эффект светозвука.

Детекторы 20-1...2О-К выполнены на базе диода КД503 и интегратора (RS-цепочка) с временем интеграции ,05 с

АЦП 15 выполнен по стандартной блок-схеме на базе микросхем К561 КП2, К553УД2, КП13ПВЗ, КР1006ВИ1 (принципиальная схема дана на фиг„ 2, диаграммы - фиг о8).

Назначение АЦП 15 осуществлять по Очередное преобразование аналоговых данных, поступающих с блоков 20-jl0io .,20-К в четырехразрядный код, который поступает в первый регистр 16 хранения,, Кроме того, АЦП 15 формирует импульсы сдвига для первого регистра 16 и импульс общей синхронизации всей системы, идущий к блокам 17 6 и IK

Блок 15 работает следующим образом. Релаксационный генератор 24 (микросхема КР1006ВИ1) вырабатывает короткие импульсы (фиг08а) с периодом а 1 мс, достаточным, чтобы в блоке успели произойти все переключения импульс (фиг.8а) сбрасывает триггер 25 (К561ТМ2)о Сигналы с выходов этог триггера 25 осуществляют следующие переключения: сигнал с выхода Q снимает блокировку со счетчика 26 (К561ИЕ10); сигнал с выхода Q (фиг.86) запускает генератор 21 импульсов (КР1006ВИ1) . Этот генератор вырабатывает импульсы (фиг.Зв), которые сбрасывают микросхему 28 АЦП (К1113ПВЗ) в исходное состояние. Задним фронтом импульса (фиг„8в) осуществляется запуск мультивибратора 29 (КР100бВИ1)о Импульс (фиг.8г) с выхода последнего дает разрешение на начало преобразования аналогового напряжения, поступающего на вход микросхемы 28, в цифровой эквивалент который по окончании преобразования выставлен на ее выходах„ Микросхема К1ПЗПВЗ осуществляет аналого

0

5

0

5

9027

0

35

40

45

50

55

8

1

цифровое преобразование за время, меньшее, чем длительность импульса (фиг,8г) с выхода мультивибратора 29.

От заднего фронта импульса (фиг08г) с выхода мультивибратора 29 запускается следующий ждущий мультивибратор 30 (КР1006ВИ1), который вырабатывает импульс (фиг.вд), фиксирующий окончание аналого-цифрового преобразования аналоговых сигналов, а также синхронизирующий передачу цифрового эквивалента этого сигнала с выхода микросхемы 28 АЦП в первый регистр 16 и переводящий счетчик 26 в одно из следующих друг за другом состояний Счетчик 26 совместно с мультиплексором 31 осуществляют поочередное подключение выходов детекторов 20-1 о „ 20-К к АЦП 15, Счетчик 26 на своих выходах формирует адрес для мультиплексора 31. В зависимости от адреса, поступающего со счетчика 26 на адресные входы мультиплексора 31, внутри него формируются сигналы коммутации (фиг.8е)„ Смена состояний счетчика 26, а соответственно, и смена адресов на его выходах происходит при приходе импульса () с выхода мультивибратора 30 и после прихода восьмого по счету от начала общего цикла счетчик 26 выработает импульс (фиг.8к), которым переключается триггер 25. Положительное напряжение импульса (диаграмма л) лриводит к сбросу счетчика 25 в исходное состояние, при этом на его выходах имеется код первого адреса. Импульс (диаграмма б) с выхода триггера 25 перейдет в низкоуровневое состояние, при этом выработка импульсов (фиг„8г,д,е) прекратится. Импульс (фиг.8л) также поступает в блоки 17,6 и 11, подготавливая и запуская их для обработки произведенной серии выборок с детекторов 20-1,,. ооо 20-К /

Регистры 16 и 17 хранения выполнены на базе микросхем K56ITM3 (фиг.З).

Блок 18 сравнения (фиг.4) выполнен на базе микросхем, например, серии К561, состоит из k однотипных каскадов, где k зависит от количества гармоник инструмента, необходимых и достаточных для идентификации.

Алгоритм его работы

F(fr).nfl, ,

fl, если |В -А;Ц0; где 0;

О, если /В;-А;/ У0, ,2...k - номер обертона;

А; - код амплитуды 1-го

обертона с АЦП; В - код амплитуды 1-го

обертона эталона конкретного музыкального инструмента; У1- - код допуска на точность совпадения

А; с в,ч

F(0k) - функция сравнения, В сумматоре (SM) из величины А вычитается величина В. Схема равнозначности () формирует абсолютное значение разности, т.е„ /А-Ч/ , Схема сравнения() сравнивает абсолютную разность /Л-В/ с допуском J1 и формрует о, т.е. блок I8 сравнения сравнивает реальный набор обертонов (гар моник) А; , поступающих на его вход и принадлежащих какому-то инструменту с эталонным набором В- обертонов п инструментов в определенной зоне допусков У, В случае их совпадения блок 18 сравнения вырабатывает импульс строба F(d), который пропускает код опознанного инструмента на . коммутатор 6.

Коммутатор 6 (фиг,5) состоит из дешифратора 32 на п выходов (выполнен на микросхемах К561ИД1) и п каналов, включающих каждый последовательно соединенные триггер 33 (является элементом памяти и выполнен на 1/2 микросхемы К561ТМ2) и аналоговы ключ 34 (выполнен на 1/2 микросхемы K56IKT3). С блока 11 формирования адресов инструментов на вход коммутатора 6 при опознавании поступают сигналы двоичных кодов инструментов. Дешифратор 32 каждому значению кода ставит в соответствие один из п свои выходов, причем сигнал на этом выход появится при поступлении сигнала стробирования с выхода сравнивания с выхода сравнивающего устройства 18 (это означает, что совпала эталонная тембровая формула какого-то инструмента с реальным входным сигналом) Далее этот сигнал поступает в соответствующий канал, включает триггер 33 (память), подающий сигнал управления на аналоговый ключ 34, который срабатывает и подключает звуковой

10

35

до

569027Ю

сигнал с блока 1,к соответствующему блоку 8-1,о.8-п.

Блок 1I формирования адресов (фиг. 6) выполнен на микросхемах 5 К561ТМ2, КР1006ВИ1, К561ИЕ10,

ПЗУ 12 выполнено на k микросхемах KI55PE3, где k равно количеству анализируемых обертонов.

Амплитуды обертонов выделяются с допуском + У, такЧкак при изготовлении инструментов возникают погрешности, которые несколько (в допустимых пределах) изменяют тембр, при 5 анализе происходят отклонения. Для увеличения точности определения и вводится этот допуск +J.

При данной конкретной реализации блоков анализируется восемь оберто- 20 нов (гармоник), .инструментов, Для увеличения количества п определяемых инструментов необходимо выполнить ПЗУ 12 с более большим объемом памяти, т„е. на других микросхе- 25 мах, что повлечет увеличение мощностей и/или количества входных, выходных и промежуточных блоков устройства

Схемы п каскадов можно выполнить по известной многоканальной схеме,

Соотношения размеров между самыми большими и малыми световыми образами определяются исходя из следующих данных. Наиболее удобное, естественное восприятие для сидящего перед экраном человека определяется углом

30

ясного зрения, который равен для не подвижного зрителя 22 для вертикали и 40° для горизонтали. (Таким образом, именно в этот угловой размер должна вписыватыя самая большая световая фигура, заполняющая весь экран). Минимальный угловой размер световой фигуры целесообразно ограничить углом равным 1,3 , который является

45 углом наиболее четкого зрения, с учетом этих данных пределы отношений наибольшей и наименьшей фигур по их размерам на экране должно быть 22в/1, и 40°/1,, т.е.

50 1: (15-30), Отношение размеров фигур, находящихся между наибольшими и наименьшими, устанавливается для каждого конкретного случая, исходя из основного соотношения, где размер одной

55 наибольшей фигуры пропорционален (15-30) размерам одной наименьшей фигурыв Например, при трехканаль- ной схеме формирования управляющих сигналов величина формы средних размеров пропорциональна половине ели(15-30 чины наибольшей фигуры, , .

относительно размера наименьшей фи туры.

. В качестве формообразующих элементов можно использовать различной формы отверстия необходимых размеров, выполненные в формообразующих трафаретах из светонепроницаемого материала, .и линзы короткофокусные дают большое изображение, длиннофокусные - маленькое при одном и том же расстоянии до экранао Изображение средних размеров можно получить экспери ментально, подбирая линзы, В этом случае на экран проецируется причудливо деформированные линзами нити канала источников света, причем источники света подбираются специально с нитями накала разнообразных форм, При крупногабаритном выполнении выходного оптического устройства 2 (например, в виде панно или стенки) каждый канал каждого каскада может иметь несколько (например, до 5- 10 шт) источников 4-1.0.4-n-m света, равномерно размещенных в плоскости. В этом случае наиболее зрелищно смотрится изображение на экране 3, если площади световых изображений, формируемых каждым частотным каналом, перекрывают частично друг друга, например на одну треть„ При этом в создаваемой свето-цветовой картине имеются участки, на которых рисунок формируется только формообразующим трафаретом 5, принадлежащим только одному каналу, и участки с рисунком, состоящим из взаимного наложения ри- сунков, создаваемых двумя-тремя рядом расположенных конструктивно формообразующих трафаретов 5, принадлежащих разным каналам разных каскадов При изменении яркости свечения источников 4-1 . „ света этих каналов высвечиваются и затеняются образы соответствующих размеров, создавая при нал ожении рисунок, не заложенный в рисунках формообразующих элементов в результате в общую картину на экране вносится разнообразие непредсказуемыми контурами и фактурой.

При выполнении выходного оптического устройства 2 небольших размеров например по одному источнику 4-1... ооо4-n«m света, в каждом канале наиболее зрелищно смотрится светоцвето

5

0

5

0

5

5

0

5

вая картина при наложении друг на друга проекций изображения всех формообразующих трафаретов 5. Так как в каждый момент времени в каждом частотном канале величина амплитуды своя для каждого канала, то и основным элементом изображения на экране 3 в каждый момент времени являются световые образы, создаваемые формообразующими трафаретами 5 того канала, амплитуда в котором в этот момент времени наибольшая по сравнению с другими каналами. Световые образы, создаваемые в этот момент формообразующими элементами других каналов (управляемыми сигналами с меньшими амплитудами) , накладываясь на основное изображение способствуют созданию световых образов новых форм (т„е, структуры картины) с новыми сочетаниями окраски. Практически светоцве- товое изображение на экране 3 никогда не повторяется ни формой, ни расцветкой, как не повторяются характеристики музыкального произведения при его развитии во времени. При ис- полнии того же музыкального произведения другими музыкальными инструментами изображение на экране 3 будет тем более другим

Таким образом, предлагаемое уст- ройс,тво обеспечивает возможность реализации психологических и общезначимых соответствий цветного слуха (синестезии) , ТоС. ассоциирование цвета изображения с определенными музыкальными инструментами и звуков разной частоты с фигурами соответствующих размеров0

Формула изобретения

1„ Светомузыкальное устройство, содержащее источник звука, коммутатор, первый канал обработки музыкального сигнала, который содержит автоматический регулятор уровня, выход которого подключен к входу анализатора музыкальных программ, каждый из m выходов которого подключен к соответствующему входу выходного оптического устройства, отличающее- с я тем, что, с целью повышения художественной выразительности светового сопровождения музыкального произведения, в него введены с второго по n-й каналы обработки музыкального сигнала, (n-l)-m источников света,

13

причем вход каждого 1-го (где i 1,2...(n-1)m) источника света подключен к соответствующему выходу анализатора музыкальных программ, блок выделения основного тона, первый вход которого соединен с выходом источника звука, блок фор мирования адреса, выходы которого подключены к группе входов коммутатора и к группе входов постоянного запоминающего устройства, последова тельно соединенные блок фильтров, К входов которого подключены к выходам источника звука, блок детекторов, аналого-цифровой преобразователь, первый регистр хранения, второй регистр хранения, блок сравнения, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход которого подключен к выходу источника звука, вход сброса соединен с входом запуска блока формирования адресов с тактовым входом второго регистра хранения и с первым дополнительным выходом аналого-цифрового преобразователя, второй дополнитель ный выход которого соединен с такто56902714

вым входом первого регистра хранения, при этом каждый из п выходов коммутатора соединен с входом соответствующего канала обработки музыкального сигнала, причем выход блока выделения основного тона подключен к управляющему входу блока фильтров, а выходы постоянного запоминаюЮ щего устройства соединены с второй . группой входов блока сравнения.

2, Устройство по п, отличающееся тем, что выходное оптическое устройство содержит после15 Довательно расположенные источники света с трафаретами, содержащими формообразующие элементы и экран„

35 Устройство по п. 2, о т л и- чающееся тем, что размер

20 каждого из формообразующих элементов низкочастотного канала превышает размер каждого из формообразующих элементов высокочастотного канала в 5о о.30 раз.

25 А. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что источники света каждого из каналов выполнены одного цвета,,

Изобретение может использоваться в светомузыке для автоматического сопровождения звука световыми эффектами. Цель изобретения - повышение художественной выразительности светового сопровождения музыкального произведения. Цель достигается путем введения с второго по N-й каналы обработки музыкального сигнала, (N-1)-M источников света, блока выделения основного тона, блока формирования адреса, постоянного запоминающего устройства, блока фильтров, блока детекторов, аналого-цифрового преобразователя, регистров хранения, блока сравнения. Устройство также содержит источник звука, оптическое устройство, экран, M источников света, трафареты, коммутатор, первый канал обработки музыкального сигнала. 3 з.п.ф-лы, 9 ил.

13

+ ЈfbЈffT |

УШЕЗ1®)

ЫЬЈЬЈ

J t

1

а

hi

Ч a

-

25

3

f

$

J

ТЧн-J л

i К блокам 11,6,11

конец преобраз

КбЯ.16

Hofruz

К блокам 11,6,11

конец преобразования

Фиг. Z

Г

Г

1

jbЧ Г Wff

дг от

1

1

1

j

кбл.18 фмз

И

1J

/fffif.6

.Т.

rj-n

I «i ГТГ1 ч №

гРПНУР : LJJ :uj

; i« 1ГШ.TIS

Ј-№У

2-9 9H

Ы ЦН Г

1Ч/дшО

юнгпзьн

п

S MQ)

юйц

vi

gsttug

$-.

Q;-I

i -j

Т

ir

fe

/ вшндн ищшо -Мшэнп dauQH

,rJ

iZ069Sl

I

Pue.7